烧结钕铁硼永磁材料制备技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Central South University,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Chongqing University,基于,DEM,模拟解析颗粒下落及堆积过程的分布规律,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Chongqing University,基于,DEM,模拟解析颗粒下落及堆积过程的分布规律,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,烧结钕铁硼永磁材料制备技术,冶金与环境学院,2024/11/16,烧结钕铁硼永磁材料制备技术 冶金与环境学院 20,0,稀土永磁材料的发展,稀土永磁材料到目前为止已经发展了三代产品，,1966,年,K.Strnat,应用粉末粘结法制作了,RECo,5,型合金，该材料具有极高的磁各向异性常数，称为第一代稀土永磁体也即,1,：,5,型,SmCo,合金，磁能积典型值为,200kJ/m,3,；第二代永磁材料是,2,：,17,型,SmCo,合金，即,Sm,2,Co,17,，磁能积大约,300 kJ/m,3,；,1983,年日本和美国发现了钕铁硼合金，也就是,Nd,2,Fe,14,B,合金，其磁能积约为,400 kJ/m,3,490 kJ/m,3,，理论值可达到,640 kJ/m,3,，称之为第三代稀土永磁材料；随着研究的不断深入，钕铁硼磁性性能不断改善。,2024/11/16,1,稀土永磁材料的发展 稀土永磁材料到目前为止已,钕铁硼永磁材料生产发展与应用,全球钕铁硼产量在过去近三十年中取得了快速增长，由,1983,年的不足,1,吨增加到,2019,年的,13.43,万吨，其中我国的产量达,10.8,万吨，占全球钕铁硼总产量的,80%,。烧结钕铁硼磁体产量由,2019,年的,1.25,万吨，增加到,2019,年的,12,万吨，约占钕铁硼总产量,90%,，并在过去十年间保持年均,26.5%,的速率快速增长。与烧结钕铁硼相比，粘结钕铁硼规模小很多，但也一直保持较好的发展势头，,20192019,年间全球粘结钕铁硼磁体产量以年均,8%,的速率增长，,2019,年产量达,1.43,万吨，其中我国产量达到,1,万吨，占全球粘结钕铁硼产量的近,70%,，并以年均近,30%,的速率高速增长。,2024/11/16,2,钕铁硼永磁材料生产发展与应用 全球钕铁硼产量在,钕铁硼永磁材料生产发展与应用,钕铁硼磁体由于其本身的优异磁性能和良好的性能价格比广泛应用于微波通讯、音像、仪器仪表、电机工程、计算机、磁分离、磁疗等领域。信息技术方面，硬、软磁盘、光盘驱动器和打印机驱动头是钕铁硼磁体材料；医疗器械方面，核磁共振成像仪已成为各大医院必须配备的医疗器械，每台核磁共振成像仪需要钕铁硼磁体,0.5,吨；机床工业方面，,NC,机床,80%,采用直流钕铁硼永磁电机控制；日常生活方面，汽车防雾尾灯、磁卡门锁，礼品盒开关是钕铁硼永磁材料等。,2024/11/16,3,钕铁硼永磁材料生产发展与应用 钕铁硼磁体由于其,钕铁硼永磁材料制备技术,钕铁硼永磁材料可分为烧结钕铁硼、粘结钕铁硼和注塑钕铁硼。烧结钕铁硼磁性能较好，但生产工艺较复杂，成本也较高。粘结钕铁硼磁体，虽因粘结剂的加入使得磁性能降低，但其具有易批量生产、制造尺寸精确、形状复杂、密度小、磁性能稳定等优点，在电子和医疗领域得到广泛应用。注塑钕铁硼有极高的尺寸精确度，容易制成各向异性、形状复杂的薄壁环或薄磁体。,2024/11/16,4,钕铁硼永磁材料制备技术 钕铁硼永磁材料可分为,烧结钕铁硼永磁材料制备技术,烧结钕铁硼磁体用粉末冶金方法制造。烧结,Nd-Fe-B,系永磁材料的磁性能主要由,Nd,2,Fe,14,B,基体相来决定的。,Nd,2,Fe,14,B,相的化学成分决定了磁极化强度,Js,和各向异性场,H,A,。剩磁,Br,、矫顽力,H,cb,和磁能积,(BH),max,由成分和组织结构决定。,烧结钕铁硼永磁材料制作流程,2024/11/16,5,烧结钕铁硼永磁材料制备技术 烧结钕铁硼磁体用,合金铸造,-,平板铸造,合金铸造技术是制备高性能烧结,Nd-Fe-B,磁体的关键工艺。高性能磁体制造，,Nd-Fe-B,合金铸锭微观组织应该具有柱状晶完整，没有,-Fe,偏析相，富钕相弥散分布的特点。常用的铸造方法有平板铸造、柱状铸造、薄板铸造。,平板铸造模结构图,1-,金属液，,2-,冷却铜模，,3-,冷却水,平板铸造是生产钦铁硼最初采用的方法。它是通过将合金熔液浇铸在底部水冷的平板状铜锭模内,得到厚为,30-50mm,的板状铸锭。由于平板铸造为单面冷却，冷速较低，因此,-Fe,较多,(,由,SEM,图可知,),非冷却面处柱状晶不完整,偏析较严重,对应的磁能积在,240-280KJ/m,3,左右。,平板铸造,SEM,图,灰色,-,主相，白色,-,富钕相，黑色,-Fe,2024/11/16,6,合金铸造-平板铸造 合金铸造技术是制备高性能烧,合金铸造,-,柱状铸造,柱状铸造是现在采用较广泛的铸造工艺之一，将,Nd-Fe-B,合金熔液浇铸在柱状,(,圆柱或长方柱,),铜锭模内，锭模底部和四周都有水冷，得到圆柱形直径约,100mm,的铸锭。由于冷速提高,可以形成完整的柱状品，但依然有较多,-Fe,存在。主相晶粒度为,50-80,m,，而,-Fe,呈弥散分布，枝晶也有几个微米尺度，对应的磁能积在,280-300KJ/m,3,左右。,柱状铸造,SEM,图,灰色,-,主相，白色,-,富钕相，黑色,-Fe,柱状铸造模结构图,1-,金属液，,2-,冷却铜模，,3-,冷却水,2024/11/16,7,合金铸造-柱状铸造 柱状铸造是现在采用较广泛的,合金铸造,-,薄板铸造,柱状铸造是现在采用较广泛的铸造工艺之一，将,Nd-Fe-B,合金熔液浇铸在柱状,(,圆柱或长方柱,),铜锭模内，锭模底部和四周都有水冷，得到圆柱形直径约,100mm,的铸锭。由于冷速提高,可以形成完整的柱状品，但依然有较多,-Fe,存在。主相晶粒度为,50-80,m,，而,-Fe,呈弥散分布，枝晶也有几个微米尺度，对应的磁能积在,280-300KJ/m,3,左右。,薄板铸造,SEM,图,灰色,-,主相，白色,-,富钕相，黑色,-Fe,薄板铸造模结构图,1-,金属液，,2-,冷却铜模，,3,、,4-,冷却水,2024/11/16,8,合金铸造-薄板铸造 柱状铸造是现在采用较广泛的,合金铸造新工艺,-,薄片铸造法,薄片铸锭法是目前最成功的铸造方法。其工艺是将熔融的液体倒或喷出在旋转的水冷金属辊表面，然后甩出，得到厚度为,0.3 mm,左右的薄片铸锭。铸片比常规铸块的凝固速率快，抑止了,-Fe,枝状晶的生成；铸片的粉碎性很好。主相晶粒中间的富,Nd,相薄层，确保了在氢爆碎和气流磨制粉后形成取向排列的单晶粉末，提高磁体的剩磁；铸片中富,Nd,相的分散性好，有利于在较低烧结温度下得到高性能磁体等。,薄片铸造示意图,薄片铸造,SEM,图,灰色,-,主相，白色,-,富钕相，黑色,-Fe,2024/11/16,9,合金铸造新工艺-薄片铸造法 薄片铸锭法是目前,合金制粉,制粉目的是将大块合金锭破碎成一定尺寸的粉末。包括粗破和磨粉两个工艺过程。粗破碎方法有两种：一种是氢爆碎,(HD),，另一种是机械破碎。将粗破后的,246m-175m(60-80,目,),的中等粉末研磨至,3-5m,细粉，该种磁粉绝大多数为单晶体。磨粉一般采用球磨制粉或气流磨制粉两种方法。球磨制粉有滚动球磨、振动磨、高能球磨等。,晶粒尺寸的减小，矫顽力大幅度增加,剩磁增强，晶粒尺寸在,3-5m,时钕铁硼磁体的磁性能达到最大值。,2024/11/16,10,合金制粉 制粉目的是将大块合金锭破碎成一定尺寸,合金制粉,-,氢爆碎,氢爆碎是,钕铁硼合金在吸氢过程中各相膨胀系数不同、膨胀量不同使得氢化物生成时晶格间产生微裂纹而导致合金破裂和粉化；,NdFeB,的吸氢可分为两步，首先吸氢的是露在表面的富,Nd,相，,2Nd+2/x H,2,2NdH,x,；其次是主相,Nd,2,Fe,14,B,吸氢，,2Nd,2,Fe,14,B+yH,2,2Nd,2,Fe,14,BH,y,。当氢化物,NdH,2.7,由面心立方变到六方晶型，晶格常数变大，体积膨胀,20%,。氢化物,Nd,2,Fe,14,BH,5,晶格也变大，相应体积膨胀了,4.55.0%,。氢爆碎进料尺寸为,0.1-100mm,，出料尺寸为,10-1000,m,。,氢爆碎原理图,氢爆碎装置,爆碎主体,2024/11/16,11,合金制粉-氢爆碎 氢爆碎是钕铁硼合金在吸氢过程,合金制粉,-,气流磨制粉,流化床气流磨的基本原理是通过在平面或空间呈一定角度分布的一组喷嘴喷出的高速气流使颗粒流态化，并携带颗粒到气流汇聚点发生剧烈碰撞和摩擦而粉碎。经过气流磨制粉粒径平均在,3,m,左右。,粉碎室物料通过翻板阀,1,进入料仓,2,，由螺杆输送器,3,将物料送入粉碎室,4,。气流通过喷嘴,5,进入流化床，颗粒在高速喷射气流交点碰撞，该点位于化床中心，是靠气流对颗粒的高速冲击及粒子间的相互碰撞而使颗粒粉碎。进入粉碎腔内的物料利用数个喷嘴喷汇产生的气流冲击能，及其气流膨胀成流态化床悬浮翻腾而产生碰撞、摩擦进行粉碎，并在负压气流带动下通过顶部设置的涡轮式分级装置,8,，然后细粉排列出口,9,外由旋风分离器及袋式收尘器捕集，粗粉受重力沉降返回粉碎区继续粉碎。,图为德国,Alpine,公司研制的流化床,对撞式气流粉碎机,2024/11/16,12,合金制粉-气流磨制粉 流化床气流磨的基本原理是,取向成型,磁场取向成型是永磁产品生产的一道重要工序，稀土永磁体取向压制成型需要取向磁场在,1194kA/m,以上，取向压制成型设备中均采用电磁铁提供取向磁场和退磁磁场。烧结,Nd-Fe-B,系永磁体的磁性能主要来源于具有四方结构的,NdFeB,基体相，它是单轴各向异性晶体，,c,轴为易磁化轴，,a,轴为难磁化轴。对于单晶体来说，当沿其易磁化轴磁化时，有最大的剩磁,Br=,0,M,s,。如果烧结永磁体的各个粉末颗粒的,c,轴是混乱取向的，则得到的是各向同性磁体，,Br=,0,M,s,/2=Js/2,，这是最低的。如果使每一个粉末颗粒的易磁化方向,(c,轴,),沿相同方向取向，制成各向异性磁体，则沿粉末颗粒,c,轴取向的方向有最大的剩磁。,粉末的磁场取向有两种方向：平行取向与垂直取向。粉末压形有两个目的：,(1),将粉末压制成一定的形状与尺寸的压坯；,(2),保持在磁场取向中所获得的晶体取向度。目前，普遍采用的压形方法有三种，即模压法、模压加冷等静压、橡皮模压。最好的方式是垂直取向的模压加冷等静压。,a-,平行取向，,b,垂直取向,2024/11/16,13,取向成型 磁场取向成型是永磁产品生产的一道重要,烧结与回火,压型只能使样品的相对密度达到,60-85%,，其内部还有相当多的空隙，机械强度很低，磁性也不高。经过烧结，由于原子扩散，粉末颗粒互相融合而形成整体，这使样品的相对密度提高到,94-98%,，机械强度增加，同时，磁性能（剩磁、矫顽力、磁能积）都大为提高。,Nd-Fe-B,粉末烧结温度约,(0.70-0.85)T,熔,。采用真空气淬烧结炉烧结，先抽真空至,10,